DE4108404C2 - Process for controlling the ion beam processing of solid surfaces - Google Patents

Process for controlling the ion beam processing of solid surfaces

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen unter Verwendung einer Breitstrahlionenquelle.The invention relates to a method for controlling ion beam processing of solid surfaces using a broad beam ion source.

Das Verfahren kann beispielsweise bei der Endbearbeitung der Oberfläche von Komponenten, wie Linsen oder Spiegel von Hochleistungsoptiken, angewendet werden.The method can be used, for example, in the finishing of the Surface of components such as lenses or mirrors High-performance optics.

Darüber hinaus ist das Verfahren bei der Formgebung mechanischer, mikromechanischer oder elektronischer Komponenten bzw. Bauteile einsetzbar.In addition, the process of shaping mechanical, micromechanical or electronic Components or components can be used.

Bekannt sind Verfahren zur Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen, speziell zur Bearbeitung optischer Komponenten oder elektronischer Bauelemente zum Zweck der Formgebung von deren Oberflächen.Methods for ion beam processing of are known Solid surfaces, especially for processing optical Components or electronic components for the purpose of Shaping of their surfaces.

In US-PS 35 48 189 und US-PS 36 99 334 werden Feinstrahlverfahren beschrieben, bei denen die Oberflächenbearbeitung durch Ablenkung eines Strahles positiver Ionen von wenigen Millimeter Durchmesser und/oder kontrollierte Werkstückbewegung bei Variation der Stromdichte und/oder der Verweilzeit durchgeführt wird. Der wesentliche Nachteil dieser Verfahren besteht in der hohen Bearbeitungszeit.In US-PS 35 48 189 and US-PS 36 99 334 fine jet processes described in which the surface treatment by Deflection of a beam of positive ions by a few Millimeter diameter and / or controlled Workpiece movement with variation of the current density and / or the Residence time is carried out. The main disadvantage of this The process consists in the long processing time.

Weiterhin sind Blendenverfahren bekannt, bei denen Breitstrahlionenquellen eingesetzt werden. Die erforderliche örtliche Variation der Stromdichte bzw. der Beschußzeit wird durch Metallblenden zwischen Ionenquelle und zu bearbeitender Oberfläche erreicht. Durch Verwendung einer Löchermaske, wobei die Anordnung und/oder unterschiedliche Größe der Löcher eine lokale Variation der Transparenz und damit der Ionenstromdichte die angestrebte Formgebung ermöglicht, wird ein gleichzeitiger zeitoptimaler Abtrag im Gesamtbereich der Oberfläche realisiert. Großen Vorteilen, speziell bei der Erzeugung allgemeiner Korrekturflächen, steht der Nachteil gegenüber, daß für die Korrektur von Einzelflächen jeweils eine spezielle Maske angefertigt werden muß.Aperture methods are also known in which  Wide beam ion sources are used. The required local variation of the current density or the bombardment time through metal screens between the ion source and the one to be processed Surface reached. By using a hole mask, where the arrangement and / or different size of the holes a local variation in transparency and thus the Ion current density which enables the desired shape a simultaneous time-optimal removal in the entire area of Realized surface. Big advantages, especially with the Generating general correction areas is the disadvantage opposite that for the correction of individual areas each a special mask must be made.

Für weitere bekannte Blendenverfahren ist charakteristisch, daß durch Strahlbegrenzung mittels einschwenkbarer Festblenden und/oder Größenveränderung steuerbarer, beweglicher Blenden Teilgebiete der Oberfläche nacheinander bearbeitet werden. So wird in SU-PS 8 34 800 eine Lösung beschrieben, bei der eine steuerbare "Iris"-Strahlblende in Verbindung mit einer verschieb-, dreh- und neigbaren Werkstückhalterung und einer Meß- und Steuereinrichtung Verwendung findet, über die Art der Steuerung solcher Blendensysteme, insbesondere über Strategien zur Minimierung der Bearbeitungszeit bei der Erzeugung vorgegebener Korrekturprofile unter Berücksichtigung von Strahl- und Materialparametern sowie der angestrebten Genauigkeit ist nichts bekannnt.For other known aperture methods, it is characteristic that by beam limitation by swiveling fixed shutters and / or changing the size of controllable, movable screens Subareas of the surface can be processed one after the other. So a solution is described in SU-PS 8 34 800, in which a controllable "iris" beam iris in connection with a movable, rotatable and tiltable workpiece holder and one Measuring and control device is used on the type of Control of such aperture systems, especially via strategies to minimize the processing time during generation given correction profiles taking into account Beam and material parameters as well as the desired Nothing is known about accuracy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen zu entwickeln, welches unter Verwendung einer Breitstrahlionenquelle sowie eines Blendensystems bei feststehendem Werkstück eine lokale und zonale Oberflächenbearbeitung vorgegebener Genauigkeitsanforderungen zeitoptimiert ermöglicht.The invention has for its object a method for  Control of ion beam processing of solid surfaces to develop which using a Wide beam ion source and an aperture system fixed workpiece a local and zonal Surface processing of specified accuracy requirements time-optimized.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen, insbesondere zur Oberflächenkorrektur bei der Endbearbeitung optischer Funktionsflächen, wobei ein von einer Breitstrahlionenquelle ausgehender Ionenstrahl über ein Blendensystem nach Ermittlung der Korrekturwerte definiert beeinflußt auf die Festkörperoberfläche auftrifft, dadurch gelöst, daß die Beeinflussung des Ionenstrahls über die Lage-, Form- und Öffnungszeitvariation des aus mindestens drei unabhängig voneinander auf einer Geraden bewegbaren Blenden bestehenden Blendensystems über eine Simulationsbearbeitungsstrategie von einem Digitalrechner-Stellgliedsystem betätigt, erfolgt und die Simulationsbearbeitungsstrategie des Digitalrechners ausgehend von den Korrekturdaten sowie unter Berücksichtigung von Ionenstrahlparametern, Materialeigenschaften, Oberflächenform und der geforderten Genauigkeit derart ermittelt wird, daß in einem ersten Verfahrensschritt die Lagebestimmung der Ionenstrahlbegrenzungen eines Bearbeitungsfensters so erfolgt, daß ein absolutes oder relatives Maximum der Korrekturfläche eingeschlossen ist und bei einer entsprechend der Endwelligkeit fest vorgegebenen Ätzschrittzeit ein absolutes Minimum der gesamten Korrekturfläche nicht unterschritten wird, in einem zweiten Verfahrensschritt eine Simulation des Abtrages der Festkörperoberfläche um einen Betrag der angestrebten Endgenauigkeit oder um einen vorgegebenen Bruchteil dieses Wertes unter Berücksichtigung einer durch die Strahldivergenz bedingten Erosion auch außerhalb der physikalischen Fenstergrenzen sowie der Abhängigkeit der Ätz­ geschwindigkeit von der Oberflächenkrümmung vorgenommen wird, in einem dritten Verfahrensschritt die Bestimmung eines neuen absoluten oder relativen Maximums auf der teilkorrigierten Festkörperoberfläche oder innerhalb eines definierten angrenzenden lokalen Bereiches erfolgt und daraufhin die Verfahrensschritte eins bis drei solange wiederholt werden, bis alle Höhenwerte der Festkörperoberfläche die zulässige Endrauhigkeit unterschreiten.According to the invention, the object is achieved by a method for Control of ion beam processing of solid surfaces, especially for surface correction at Finishing of optical functional surfaces, one of them Wide beam ion source outgoing ion beam over a Aperture system defined after determining the correction values affects the solid surface, thereby solved that the influence of the ion beam on the position, Shape and opening time variation of at least three independently movable panels on a straight line existing aperture system using a simulation processing strategy from a digital computer actuator system actuated, carried out and the simulation processing strategy of the digital computer based on the Correction data as well as taking into account Ion beam parameters, material properties, surface shape and the required accuracy is determined such that in a first step in determining the position of the Ion beam limitations of a processing window are carried out in such a way that an absolute or relative maximum of the correction area  is included and at a corresponding to the Final ripple a fixed etching step time an absolute The minimum of the total correction area must not be undercut is a simulation of the Removal of the solid surface by an amount of desired final accuracy or around a predetermined Fraction of this value taking into account a by the beam divergence caused erosion also outside of the physical window boundaries and the dependence of the etching speed of the surface curvature is made in one third step is the determination of a new one absolute or relative maximum on the partially corrected Solid surface or within a defined adjacent local area takes place and then the Process steps one to three are repeated as long as until all height values of the solid surface reach the permissible Falling below roughness.

Nach der Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte werden die Blendensteuerdaten, wie Positionen und Stillstandszeiten gespeichert oder direkt an die Stellantriebe der Blenden weitergegeben. Unter Einsatz der Rechentechnik läßt sich der Gesamtablauf des Realprozesses zeitlich optimieren. Dieser Prozeß kann wahlweise durch Sortieren der Fenster mit dem Ziel der Minimierung des Fahrweges der Blenden, durch Unterdrückung des Schließens zwischen zwei Fenstern bei im Vergleich zur Blendenfahrzeit langen Ätzzeiten und/oder durch Realisierung des Schlitzverschluß-Prinzips bei Fenstern für im Vergleich zur Blendenfahrzeit kurzen Bearbeitungszeiten, erfolgen. Bei Verzicht auf eine nachträgliche Zeitoptimierung sowie eines hinreichend schnellen Simulationsrechners kann der Realprozeß auch simultan ablaufen.After performing the individual process steps the aperture control data, such as positions and downtimes saved or directly to the actuators of the panels passed on. Using the computer technology, the Optimize the overall sequence of the real process over time. This Process can optionally be by sorting the windows with the target the minimization of the path of the blinds by suppression of closing between two windows when compared to Aperture travel long etching times and / or through implementation  the slot lock principle for windows in comparison short processing times at the aperture time. At No subsequent time optimization or one the real process can do a sufficiently fast simulation computer also run simultaneously.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit gegenüber konventionellen Verfahren eine zeitoptimierte Oberflächenbearbeitung, angepaßt an die erforderlichen Genauigkeitsanforderungen.The method according to the invention thus enables conventional processes a time-optimized surface treatment, adapted to the required accuracy requirements.

In einem nachstehenden Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Ein in der Form h=-79,1*r³*cosβ (0<=r<=1, 0<=β<=360°, Polarkoordinaten) vorgegebenes Höhenprofil soll in eine Sphärenfläche aus Glas mittels Ar-Ionenbeschuß (Ionenenergie 600eV, Stromdichte 0,2 mA/cm², Durchmesser des Glaskörpers 100 mm, Krümmungsradius der zu bearbeitenden Sphäre 225 mm) übertragen werden. Die zulässige Abweichung vom Idealprofil wird mit 10% vorgegeben.The method according to the invention will be explained in more detail in an exemplary embodiment below. A height profile specified in the form h = -79.1 * r³ * cosβ (0 <= r <= 1, 0 <= β <= 360 °, polar coordinates) is to be ar-bombarded into a spherical surface made of glass (ion energy 600 eV, Current density 0.2 mA / cm², diameter of the glass body 100 mm, radius of curvature of the sphere to be machined 225 mm) are transmitted. The permissible deviation from the ideal profile is specified at 10%.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch Anwendung eines 16- bit-Rechners "Amiga 1000" für die Simulation und Ermittlung der Steuerdaten, einer kommerziellen Ionenstrahlätzanlage sowie durch ein zeitlich aufeinanderfolgendes Ausblenden des Ionenstrahls mittels vier voneinander unabhängig verstellbarer Blenden durchgeführt. Die notwendige Fensterfolge für 86 Einzelätzschritte wird mittels eines Computers einschließlich einer Motorsteuerelektronik sowie unter Verwendung der ermittelten Steuerdaten im Echtzeitbetrieb durch entsprechende Blendenbewegung realisiert.The process according to the invention is carried out using a 16- bit calculator "Amiga 1000" for simulation and determination the control data, a commercial ion beam etching system and by hiding the Ion beam using four independently adjustable Apertures performed. The necessary sequence of windows for 86  Individual etching steps is done using a computer including an engine control electronics and using the determined control data in real time corresponding aperture movement realized.

Claims (1)

Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen, insbesondere zur Oberflächenkorrektur bei der Endbearbeitung optischer Funktionsflächen, wobei ein von einer Breitstrahlionenquelle ausgehender Ionenstrahl über ein Blendensystem nach Ermittlung der Korrekturwerte definiert beeinflußt, auf die Festkörperoberfläche auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung des Ionenstrahls über die Lage-, Form- und Öffnungszeitvariation des aus mindestens drei unabhängig voneinander auf einer Geraden bewegbaren Blenden bestehenden Blendensystems über eine Simulationsbearbeitungsstrategie von einem Digitalrechner-Stellgliedsystem betätigt, erfolgt und die Simulationsbearbeitungsstrategie des Digitalrechners ausgehend von den Korrekturdaten sowie unter Berücksichtigung von Ionenstrahlparametern, Materialeigenschaften, Oberflächenform und der geforderten Genauigkeit derart ermittelt wird, daß in einem ersten Verfahrensschritt die Lagebestimmung der Ionenstrahl­ begrenzungen eines Bearbeitungsfensters so erfolgt, daß ein absolutes oder relatives Maximum der Korrekturfläche einge­ schlossen ist und bei einer entsprechend der Endwelligkeit fest vorgegebener Ätzschrittzeit ein absolutes Minimum der gesamten Korrekturfläche nicht verkleinert wird, in einem zweiten Verfahrensschritt eine Simulation des Abtrages der Festkörperoberfläche um einen Betrag der angestrebten Endrauhigkeit oder um einen vorgegebenen Bruchteil dieses Wertes unter Berücksichtigung einer durch die Strahldivergenz bedingten Erosion auch außerhalb der physikalischen Fenstergrenzen sowie der Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der Oberflächenkrümmung vorgenommen wird, in einem dritten Verfahrensschritt die Bestimmung eines neuen absoluten oder realtiven Maximums auf der teilkorrigierten Festkörper­ oberfläche oder innerhalb eines definierten angrenzenden lokalen Bereichs erfolgt und daraufhin die Verfahrens­ schritte eins bis drei solange wiederholt werden, bis alle Höhenwerte der Festkörperoberfläche die zulässige End­ rauhigkeit unterschreiten.Method for controlling the ion beam processing of solid surfaces, in particular for surface correction in the finishing of optical functional surfaces, whereby an ion beam emanating from a wide beam ion source impinges on the solid surface via a diaphragm system after determining the correction values, characterized in that the influence of the ion beam on the position -, shape and opening time variation of the aperture system consisting of at least three orifices which can be moved independently on a straight line by means of a simulation processing strategy operated by a digital computer actuator system, and the simulation processing strategy of the digital computer takes place on the basis of the correction data and taking into account ion beam parameters, material properties, surface shape and the like required accuracy is determined such that the position determination de r ion beam limitations of a processing window are such that an absolute or relative maximum of the correction area is included and an absolute minimum of the total correction area is not reduced at a fixed etching step time corresponding to the final ripple, in a second method step a simulation of the removal of the solid surface by one Amount of the desired final roughness or by a predetermined fraction of this value, taking into account erosion caused by the beam divergence, also outside the physical window limits and the dependence of the etching speed on the surface curvature, in a third method step the determination of a new absolute or realistic maximum on the partially corrected Solid surface or within a defined adjacent local area and then the process steps one to three repeated until all height values of the solid surface fall below the permissible final roughness.
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